Questão 124 do ENEM 2021 — Ciências da Natureza

Para resolver essa questão, precisamos agir como engenheiros analisando as especificações técnicas de diferentes células de combustível. O enunciado nos dá três requisitos fundamentais que a célula ideal para veículos automotivos deve cumprir. Nosso trabalho é cruzar essas informações com os dados fornecidos na tabela.

Os três critérios exigidos são:

1. Operar em baixos níveis de energia térmica (baixa temperatura).
2. Ser formada por membranas de eletrólitos poliméricos.
3. Ocorrer em meio ácido.

Vamos aplicar esses filtros aos candidatos da tabela:

Analisando a Temperatura

O primeiro critério pede "baixos níveis de energia térmica", o que significa que a célula deve operar em temperaturas mais brandas. Observando a coluna de temperatura operacional, vemos que as células MSFC e SOFC operam entre $600 \ ^\circ\text{C}$ e $1000 \ ^\circ\text{C}$, o que é inviável para o uso prático e rápido em um carro de passeio. A célula PAFC opera entre $175 \ ^\circ\text{C}$ e $200 \ ^\circ\text{C}$, o que já é consideravelmente alto. Sobram as células AFC ($90 - 100 \ ^\circ\text{C}$) e PEM ($60 - 100 \ ^\circ\text{C}$), que apresentam as menores temperaturas.

Analisando o Material do Eletrólito

O segundo critério exige o uso de "membranas de eletrólitos poliméricos". Polímeros são macromoléculas, frequentemente identificadas pelo prefixo "poli" em seus nomes (como em plásticos e resinas). A célula AFC utiliza "hidróxido de potássio aquoso", que é uma solução líquida inorgânica, não um polímero. Já a célula PEM utiliza "ácido poliperfluorossulfônico sólido". O prefixo "poli" confirma que se trata de um material polimérico, e o estado sólido permite que ele atue como uma membrana.

Analisando a Acidez do Meio

O terceiro critério determina que a reação deve ocorrer em "meio ácido". Na química, um meio ácido é caracterizado pela presença de íons hidrogênio ($H^+$). A célula PEM não só traz a palavra "ácido" no nome do seu eletrólito, como também apresenta a formação de íons $H^+$ em sua semirreação anódica ($H_2 \rightarrow 2 \, H^+ + 2 \, e^-$). Por outro lado, a célula AFC utiliza hidróxido de potássio e apresenta íons hidroxila ($OH^-$) em suas semirreações, o que caracteriza um meio básico (ou alcalino), eliminando-a definitivamente.

Conclusão

A única tecnologia que atende simultaneamente a todos os requisitos do enunciado — operando em baixa temperatura, utilizando um eletrólito polimérico e funcionando em meio ácido — é a célula PEM.